毕业设计（论文）-睡眠呼吸暂停监测仪的设计.doc

毕毕 业业 论论 文文 20102010 届届 睡眠呼吸暂停监测仪的设计睡眠呼吸暂停监测仪的设计 学生姓名 学 号 06054116 院 系 数理信息学院数理信息学院 专 业 电电子信息工程子信息工程 指导教师 完成日期 2010 年年 5 月月 10 日日 I 睡眠呼吸暂停监测仪的设计睡眠呼吸暂停监测仪的设计 摘 要 介绍了睡眠呼吸暂停监测的基本原理和重要意义 研究了成本低 体积小 耗电少 使用方便的睡眠呼吸暂停监测仪 该系统由呼吸信号提取电路 滤波放大电路 峰值检 测电路 lcd 显示器与单片机接口电路 日历芯片与单片机接口电路组成 该设计误报率 有效降低 并使可靠性大为增强 在测试是否患呼吸暂停症中有比较高的准确性 文章 分析了睡眠呼吸暂停监测仪的硬件组成 阐述了 系统工作原理 介绍了软件设计思想 并给出了主程序的流程图 关键词 睡眠呼吸暂停监测仪 呼吸暂停监测方法 II DESIGN OF SLEEP APNEA MONITOR ABSTRACT It introduce the basic principles and important significance of the sleep apnea montior It research one sleep apnea montior which is small and light at a low cost low energy consumption and easy to use The system consists of respiratory signal extraction circuit filter amplifier circuit Peak detection circuit lcd display interface circuit the calendar chip interface circuit The design reduce the error tone up the dependability and greatly increased the reliability of the system This paper analyzes the sleep apnea monitor the new hardware components on the working principle of the system introduced a software design thought and gives the main program flow chart KEY WORDS sleep apnea monitor method of apnea monitor III 目目 录录 中文摘要 I 英文摘要 II 前言 1 1 系统概述 2 1 1 睡眠呼吸暂停监测仪的基本原理 2 1 2 本论文的内容和安排 2 2 系统芯片选用 3 2 1 AT89C52 单片机的选用 3 2 2 LCD1602 的选用 4 2 3 日历时钟接口芯片的选用 6 3 系统设计 7 3 1 呼吸暂停测试仪的总体设计 7 3 2 呼吸暂停测试仪的程序设计流程 9 4 功能电路设计 10 4 1 呼吸信号提取电路 10 4 2 滤波放大电路 10 4 3 平均值提取电路 11 4 3 1 峰值检测电路 11 4 3 2谷值检测电路 12 4 3 3平均值提取电路 12 4 4 比较放大电路 13 4 5 时钟电路 13 4 6 日历芯片接口电路 14 4 7 LCD 显示接口电路 15 4 8 总设计电路 17 5 结论 18 参考文献 19 附录 20 致谢 26 1 前言 随着科技的发展 人们对睡眠生理 病理的了解日益增多 一门新兴边缘 学科一睡眠医学作为现代医学的一个重要组成部分正在建立和发展起来 并广 泛的受到重视 在美国有数百家大型研究机构正在从事睡眠呼吸方面的研究 他 们在睡眠疾病 尤其是上呼吸道阻塞引起的 阻塞性睡眠呼吸暂停综合症 的 可能病因 危害 诊断及治疗方法等方面进行了大量的研究工作 研究发现 打鼾 这种现象很有可能潜伏着睡眠呼吸暂停综合症 正常人有轻度鼾声不属 呼吸暂停 呼吸暂停的定义是指呼吸道停止气流达 1O 秒以上 如果每夜暂停 次数在 30 次以 上 每次暂停时间在 10 秒以上 即可被诊断为 呼吸暂停综 合症 这是一种潜在的致死性疾病 12 其特点是睡眠时上呼吸道阻塞导致进 行性缺氧 酸中毒 呼吸困难 造成白天嗜睡 头晕 头痛 记忆力减退 乏 力 反应迟缓 睡眠行为异常等症状 长期有睡眠暂停的患者可引起高血压 心率失常及猝死 睡眠呼吸暂停低通气综合征是指睡眠时上气道塌陷阻塞引起的呼吸暂停和 通气不足 伴有打鼾 睡眠结构紊乱 频繁发生血氧饱和度下降 白天嗜睡等 病征 国外早在 20 世纪 60 年代就有了外科手术治疗 OSAHS 的报道 1964 年 Kashina 设计悬雍垂腭咽成形术治疗单纯打鼾 随后又相继出现以下报道 1965 年 Gastaut 等发现呼吸暂停及低通气的存在 1978 年 Guilleminault 等提 出了 OSAHS 的概念 1981 年 Fujita 等用 UPPP 治疗 OSAHS 1981 年 Sullivan 用 CPAP 治疗 OSAHS 我国最早对 OSAHS 的报道出现在 1983 年 近 10 年来对此 病的认识和治疗取得了长足发展 已成为耳鼻咽喉科最为引人注目的研究领域 之一 13 国外医学界对此类疾病的研究十分重视 且已取得重大成果 目前国内对 此类患者的诊断检查主要有 1 鼻 喉专科检查 鼻及 咽 2 纤 维 喉镜 检查 清醒 状态 睡眠状态 3 影像学检查 头测量法 CT 4 多导睡眠 仪检查 PSG 等 不过 目前国内对此类患者的诊断大多采用多导仪或者其他 呼吸诊断仪器 而此类仪器价格昂贵且基本需从国外进口 不便在国内医院和 患者中推广使用 因此我们必须研制一种价格更加便宜 使用更加方便 性能 更加优良的 呼吸暂停监测仪 以满足各级医院和患者的需求 14 2 1 系统概述 1 1 睡眠呼吸暂停监测仪的基本原理 人的呼吸途径有两个 一个是鼻腔 另一个是口腔 在呼吸时 口 鼻腔 处由于气流流过而使压力和温度发生变化 因此 人体的呼吸状态可以从检测 压力和温度变化得知 如采用压力法 由于口 鼻腔处的压力变化很微弱 而 弱压传感器的灵敏度很高 容易受各种因素的影响 造成误动作 故压力法不 宜采用 温度检测的方法 既用热敏电阻作传感器 将热敏传感器用胶带粘在 鼻腔或口腔下方 此类仪器简单易用 被检测者没有不舒服的感觉 不影响正 常的睡眠 2 通过热敏传感器作为重点部件的呼吸信号提取电路 可以得到较为准确的 呼吸模拟信号 6 但提取的呼吸模拟信号较弱 极易受环境温度及其他干扰的 影响 因此必须对其滤波放大 以隔除直流成分 消除环境温度和其他各种干 扰的影响而对有用的信号进行放大便于利用 为了监测呼与吸 必须用呼吸模 拟信号与它的平均值进行比较得到 5 平均值提取是通过峰谷值检测 然后用 两个严格匹配的电阻计算出峰谷值的平均值 之后进入比较放大环节 模拟信 号与平均值的交点即是信号的跳变点 经过比较放大电路输出的是数字信号 比较放大器内产生的数字信号是占空比不一定的方波 输入单片机后 主要测 试的是数字信号低电平的时间 本设计用了中断和计时器来计算每一次的低电 平时间 具体是在数字信号为低跳变的时候中断并开启计时器 当数字信号到 高电平时结束计时器可得到它的低电平时间 再判断低电平时间是否大于 10S 若是 则记录于存储器并在 LCD 上显示 若不是 则忽略此数据 为了更 好的测试和研究呼吸暂停症状 在 LCD 上同时显示呼吸暂停的时间和超过 10S 的低电平时间 呼吸暂停的系统时间可用日历芯片来实现 同时可加入存储器 来保留有效数据以便于查看 1 2 本论文的内容和安排 本论文首先阐述了睡眠呼吸暂停测试仪的主体思路和基本原理 针对这一 测试仪 分别从硬件和软件两个方面进行了设计 硬件设计包括 睡眠呼吸暂停测试仪的硬件设计包括利用热传感奇的呼吸 信号的提取电路 峰值谷值检测电路 比较放大电路 lcd 显示器与单片机接 口电路 日历芯片与单片机接口电路设计 3 程序设计包括 中断计时程序 LCD 显示程序 日历芯片程序 总的程序 设计流程 2 系统芯片选用 2 1 AT89C52 单片机的选用 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可 反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令 系统 片内置通用 8 位中央 处理器和 Flash 存储单元 功能强大的 AT89C52 单 片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合 AT89C52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口 线 AT89C52 可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处 理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地 降低开发成本 1 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 13 Jun 2007Sheet of File D 00 DDBDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U 8051 图 2 1 AT89C52 引脚分布 AT89C52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 主要功能特性 9 4 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 2 个外部中断源 共 6 个中断源 可编程 UART 串行通道 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 2 2 LCD1602 的选用 液晶显示模块具有体积小 功耗低 显示内容丰富 超薄 抗干扰能力 强等优点 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用 14 目前字符型 液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件 也非常适合用 于睡眠呼吸暂停检测仪这个设计 最后选用的这一款 LCD1602 液晶显示模块 它可以显示两行 每行 16 个字符 采用单 5V 电源供电 外围电路配置简单 价格便宜 具有很高性价比 达到医院和患者的要求 非常适用 LCD1602 模块接口的主要引脚功能 15 VO 为液晶显示对比度调整同端 当 接正电源时对比度最弱 接地电源时对比度最高 对比度过高是会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 欧姆的电位器调整对比度 RS 为寄存器选择 高电 平是选择数据寄存器 低电平是选择指令寄存器 R W 为读写信号线 高电平 时进行读操作 低电平时选择写操作 当 RS 和 RW 同时为低电平时可以写入指 令或者显示地址 当 RS 为低电平且 RW 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电 平且 RW 为低电平时可以写入数据 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电 平时 液晶模块执行命令 LCD1602 模块的指令说明 由于 MPU 可以直接访问 模块内部的 IR 指令寄存器 和 DR 数据寄存器 作为缓冲区域 IR 和 DR 在模块进行内部操作之前可以暂存来自 MPU 的控制信息 这样就给用户在 MPU 和外围控制设备的选择上 增加了余地 模块的内部操作由来自 MPU 的 RS R W E 及数据信号 DB0 DB7 决定 这些信号的组合形成了模块的指令 本 模块提供 11 条指令 大致可以分为四大类 模块功能设置 设置内部 RAM 地址 5 完成内部 RAM 数据传送与其他功能 需要注意的是 在每次访问模块之前 MPU 应首先检测忙标识 BF 确认 BF 0 后 访问过程才能进行 例举一些可能用到 的指令 表 2 1 清屏 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 运行时间 250khz 1 64ms 功能 清 DDRAM 和 AC 值 表 2 2 归位 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 00 0 0 0 0 0 1 运行时间 250khz 1 64ms 功能 AC 0 光标 画面回 HOME 位 表 2 3 输入方式设置 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 00 0 0 0 0 1 I D S 说明 1 I D 1 数据读 写操作后 AC 自动增一 2 I D 0 数据读 写操作后 AC 自动减一 3 S 1 数据读 写操作 画面平移 4 S 0 数据读 写操作 画面不动 运行时间 250khz 40us 功能 AC 0 光标 画面移动方式 表 2 4 显示开关控制 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 00 0 0 0 1 D C B 说明 1 D 表示显示开关 D 1 为开 D 0 为关 2 C 标识光标开关 C 1 为开 C 0 为关 3 B 标识闪烁开关 B 1 为开 B 0 为关 运行时间 250khz 40us 功能 设置显示 光标及闪烁开 关 表 2 5 功能设置 6 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 00 0 1 DL N F 说明 1 DL 1 8 位数据接口 DL 0 4 位数据接口 2 N 1 显示两行 N 0 显示一行 3 F 1 5 10 点阵字符 F 0 5 7 点阵字符 运行时间 250khz 40us 功能 工作方式设置 初始化口令 表 2 6 写数据 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 数据 运行时间 250khz 40us 功能 根据最近设置的地址性质 数据写入 DDRAM 或 CGRAM 内 表 2 7 读数据 RS R WDB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 数据 运行时间 250khz 40us 功能 根据最近的地址性质 从 DDRAM 或 CGRAM 数据读出 2 3 日历时钟接口芯片的选用 在测量记录仪表中 特别是应用在长时间无人职守的工业控制现场时 经 常需要记录某些测量数据及其出现的时间 记录分析这些数据 对测控系统的 性能分析及正常运行具有重要的意义 传统的数据记录方式是定时采样 主 要采用单片机内部定时器 通过软件编程和 CPU 内部的中断实现定时记录及实 时时钟的功能 这种方法简单易行成本低廉 但时钟的计时精度受 CPU 主晶振 以及与其相连电容的影响较大 无法做到很高的精度 累积误差较大 3 主电 源掉电时为了维持时钟不停摆 必须由备份电源 通常外接电池 给整个 CPU 供 电 导致仪表功耗增大 采用专用实时时钟芯片则能很好地解决了上述问题 现阶段常用的时钟芯片有并行接口 串行接口两种 并行接口方式数据传送速 度较快 但接口扩展电路较复杂 需要考虑接口扩展时的驱动能力 且芯片引 脚多 占用地址 数据总线较多 体积大 而串行时钟芯片体积小 与 MCU 的 接线少 可大大减少线路板的面积和仪器的体积 特别适用于结构紧凑的系统 中 基于以上原因 在本监测仪的设计过程中选用了美国 DALLAS 公司推出的串 7 行时钟芯 DSl302 使用该芯片简化了硬件电路 过三条线就可以和单片机进行 通讯 耗电较小 而且芯片内部含有 RAM 掉电后还可保存数据 方便了用户 存储一些重要时间信息 同时 它们的时钟校准也较为容易 使用专用的晶振 器 几乎无需调整即可达到国家要求的时钟误差标准 4 因此采用 DSl302 串行 时钟芯片 既可以产生准确的实时时钟又可以提供数据保护 大大简化了硬件 电路设计 提高了 CPU 使用效率 使用更方便 适于推广 DSl302 是美国 Dallas 公司生产的一低功耗 带 RAM 的实时时钟芯片 该 芯片采用 3 线串行接口方式 可提供年 月 日 星期 时 分 秒等时间信 息 并可根据月份和闰年的情况自动调整月份的结束日期 同时可以根据用户 需要决定是采用 24 小时或 12 小时格式 DS1302 内部带有 31 个字节的 RAM 用 于存放临时性数据 同时具有可编程涓细电流充电能力 从而使外围硬件电路 设计得到了大大简化 该芯片引脚分配如图 2 2 所示 图 2 2 DS1302 的引脚分配图 其中 X1 X2 为 32 768kHz 晶振端 GND 为地 为复位端 高电平时RST 允许 I o 端进行数据传输 低电平则禁止数据传送且使 I O 端呈高阻状态 I 0 为串行数据输入 输出端 所有输入 输出数据的传送顺序均以最低位 LSB 打头 最高位 MSB 结束 SCLK 为同步时钟脉冲端 其上升沿将 I O 端数据 按位写入 DSl302 下降沿使 DSl3 位输出数据至 I 0 端 VCC2 VCCI 为主电源 和备份电源端 当主电源 VCC2 大于备份电源 VCCI 0 2V 时 由 VCC2 对芯片供 电 否则 由芯片 vcc1 供电 6 工作电压范围为 2 5 5 5V 工作电源和备 份电源双引脚输入 功耗很低 当工作电压为 2 5V 时正常工作 所需电流不 超过 300nA 另外 如果选择了涓流充电功能 在正常情况下 主电源还可对 备份电源进行慢速充电 有效延长了备份电源的使用寿命 保证了系统时间的 连续可靠运行 3 系统设计 8 3 1 呼吸暂停测试仪的总体设计 呼吸暂停监测仪的硬件电路模块分为 呼吸信号提取电路模块 滤波放大 电路模块 平均值提取电路模块 比较放大电路模块 单片机与LCD显示模块 单片机与日历芯片接口模块 呼吸暂停监测仪的软件部分可分为中断计时部分 LCD显示部分 日历时钟部分 本设计重点在于实现硬件电路的设计和部分软件 的设计 本设计希望达到的目标 用正弦信号模拟提取的呼吸信号 通过单片 机 联合LCD 日历时钟芯片监测出睡眠呼吸暂停的具体时间和时长 并且在 LCD显示屏上显示出监测期间的每一次呼吸暂停的信息 呼吸暂停监测仪的系统 设计图如图3 1所示 人的呼吸途径有两个 一个是鼻腔 另一个是口腔 在呼吸时 口 鼻腔 处由于气流流过而使压力和温度发生变化 因此 人体的呼吸状态可以从检测 压力和温度变化得知 如采用压力法 由于口 鼻腔处的压力变化很微弱 而 弱压传感器的灵敏度很高 容易受各种因素的影响 造成误动作 故压力法不 宜采用 温度检测的方法 既用热敏电阻作传感器 将热敏传感器用胶带粘在 鼻腔或口腔下方 此类仪器简单易用 被检测者没有不舒服的感觉 不影响正 常的睡眠 经过比较放大电路后 产生一个数字信号 此信号就是本设计主要处理的 信号 实际设计中会用正弦模拟信号与平均电平比较后产生 此数字信号为长 度不一的矩形波 高电平说明患者呼出热的空气 低电平说明患者正在吸气或 者已经呼吸暂停 在电平下降沿 用 T0 计时 在电平上升沿时中断计时 若 热敏传感器提取 呼吸信号 放大 滤 波 峰 谷值检测提取 平均值 比较放大电路 图 3 1 呼吸暂停监测仪原理框图 单片机 日历芯片 LCD 显示 9 T0 计时的时间超过 10S 则把日历时间和它的时长存储并显示在 LCD 上 T0 清除 若 T0 计时的时间不超过 10s 则清除 T0 3 2呼吸暂停测试仪的程序设计流程 N N Y Y N N 计时器清零 计时器清零 Y Y N N Y Y 图 3 2 设计流程图 数字信号输入后 判断信号是否为下降沿 若是 则中断并计时 若不是 信号输入 1 0 中断计时开始 为 1 停止计时 10S 存储显示 10 继续判断 中断计时开始后 判断电平是否为高电平 若是则停止计时 若不 是则继续判断 再判断低电平时间是否大于 10s 若是则存储并显示 清零再 进入循环 若不是 则直接清零并进入循环 4 功能电路设计 4 1 呼吸信号提取电路 在呼吸时 口鼻腔底部由于气流流过使温度发生变化 因此人体的呼吸状 态可以从检测温度变化获得 2 按此原理设计呼吸信号提取电路如图 4 1 所示 图 4 1 呼吸信号提取电路 由电源接一个电阻和热敏电阻 Rt 串联至地 热敏电阻在常温下 25 C 阻 值为 1k 热敏电阻为负温度型 灵敏度为 0 1 当呼吸温差达 8 C 时 其 阻值变化为 相应电压变化为 8 8 01000Rt 4 1 RtRRtVccV 1 11 因热敏电阻 Rt 在常温下一般工作在线性区 这使 Rt 上电压变化将准确地随呼 吸状态的变化而变化 不会出现非线性失真 4 2 滤波放大电路 由于提取的信号较弱 易受环境温度及其他干扰的影响 因此必须进行滤 波放大 以隔除直流成分 消除环境温度及其他各种干扰的影响 对有效信号 进行放大 10 滤波放大电路如图 4 2 所示 图 4 2 滤波放大电路 Rt 取下呼吸信号 经过 R2 C1构成的高通隔除直流 同时由 C2 R3构成 的低通 以实现滤波的目的 根据放大的需要可适当选择 R2 R3 放大增益 K1 R3 R2 R2 C1的选取要保证周期小于 10s 的呼吸信号均能通过 运算放大 器 A1选用具有高输入阻抗 且可由较低的电源供电的 CA3140 4 3 平均值提取电路 4 3 1 峰值检测电路 峰值检测电路如图 4 3 所示 经滤波放大的呼吸信号接放大器同相端 当 呼吸信号大于电容 C3上的电压时 放大器输出高电平 D1导通 给 C3充电 当 呼吸信号升至峰值并开始下降时 C3充电至峰值电压 此时放大器将输出低电 平 D1截止 C3上保持峰值电压 9 为保证该电路不影响前级 且使电容 C3能 将峰值电压保存适当长的时间 都需要放大器的输入阻抗要高 于是 我们选 择了 CA3130 它有高的输入阻抗和低输入偏置电流 且能用单电源供电 12 图 4 3 峰值检测电路 4 3 2谷值检测电路 谷值检测电路如图 4 4 所示 该电路结构与峰值检测电路结构相同 放大 器也选用 CA3130 当输入电压小于电容 C4上电位时 放大器输出低电平 D2 导通 C4通过 D2放电 当输入电压下降时 电容就保持放电 当输入电压 Vi 降至谷值并开始上升时 C4就取得谷值电压 此时放大器输出高电平 D2截止 C4保存谷值电压 8 图 4 4 谷值检测电路 4 3 3平均值提取电路 从峰谷值输出端接两个严格匹配的电阻 R6 R7 从 R6 R7之间提取平均值电 压 如图 4 5 所示 13 图 4 5 平均值提取电路 为延缓峰值电压经 R6 R7向谷值电压存储电容 C5充电 R6 R7应选得较大 6 该电路中 R6 R7 10M 4 4 比较放大电路 将提取的平均值加到运放的反相端 原呼吸模拟信号加到同相端 14 如图 4 6 所示 图 4 6 比较放大电路 波形变化如图 4 7 所示 模拟信号与平均值的交点就是信号的跳变点 经 比较放大电路输出数字信号 4 图 4 7 输出数字信号 4 5 时钟电路 14 时钟电路的主控单元采用 12MHz 的晶体振荡器 具体设计如图 4 8 图 4 8 时钟电路 4 6 日历芯片接口电路 DS1302 内部具有实时时钟 日历和用户可用 RAM 通过一个简单的串行接口 与微机通信 可根据月份和闰年的情况自动调整月份的结束日期 串行接口的 日历时钟芯片以其使用简单 接口容易 与微机连线少等特点 在单片机应用 系统 尤其是手持式信息设备中得到广泛应用 下面介绍在单片机应用系统中 广为使用的串行接口实时时钟芯片 DS1302 的特点和使用方法 为了初始化任何 数据的传输 RST 引脚信号应由低变高 并且应将具有地址和控制信息的 8 位 数据 控制字节 装入芯片的移位寄存器内 数据的读写可以用单字节或多字 节的突发模式进行 所有的数据应在时钟的下降沿变化 而在时钟的上升沿 在芯片或与之相连的设备进行输入 时钟 日历寄存器共有秒 分 日 月 星 期 年共 7 个寄存器 秒寄存器的最高为 CH 标识位是时钟的暂停标识 这一位 被置为 1 时 时钟振荡电路停振 且 DS1302 进入低功耗空闲状态 这是芯片消 耗电流将小于 100nA 置为 0 时 时钟将工作 控制寄存器即写保护寄存器 该寄存器的最高位是芯片的写保护位 D0 D6 应强迫写 0 且读出时始终为 0 7 对任何片内时钟 日历寄存器或 RAM 在写操作之前写保护必须是 0 否则将不 15 可写入 因此 通过写保护位的设置 可以提高数据的安全性 11 在本设计中 只需要日历芯片的时间存储并显示于 LCD 上第一行即可 图 4 9 日历芯片接口电路 4 7 LCD 显示接口电路 LCD1602 模块接口的主要引脚功能 RS 为寄存器选择 高电平是选择数据 寄存器 低电平是选择指令寄存器 11 R W 为读写信号线 高电平时进行读操 作 低电平时选择写操作 当 RS 和 RW 同时为低电平时可以写入指令或者显示 地址 当 RS 为低电平且 RW 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平且 RW 为 低电平时可以写入数据 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液 晶模块执行命令 LCD1602 模块的指令说明 由于 MPU 可以直接访问模块内部 的 IR 指令寄存器 和 DR 数据寄存器 作为缓冲区域 IR 和 DR 在模块进 行内部操作之前可以暂存来自 MPU 的控制信息 具体如表 4 1 所示 在每次访 问模块之前 MPU 应首先检测忙标识 BF 确认 BF 0 后 访问过程才能进行 设 计中 第一行显示日历时间 第二行显示检测的呼吸暂停时间 16 表 4 1 RS 和 R W 输入信号组合 ERSR W 说明 100 将 DB0 DB7 的指令代码写入指令寄存器中 IR 1 001 分别把状态标识符 BF 和地址计数器 AC 内容读到 DB7 和 DB6 DB0 110 将 DB0 DB7 的数据写入数据寄存器中 模块的内部操作自动将 数据写道 DDRAM 或 CGRAM 中 1 011 将数据寄存器内的数据读到 DB0 DB7 模块的内部操作自动将 DDRAM 或 CGRAM 中的数据送入数据寄存器中 图 4 10 LCD 显示接口电路 17 4 8 总设计电路 图 4 11 总设计电路 总设计电路主要包括呼吸信号提取电路 滤波放大电路 平均值提取电路 比较放大电路 LCD1602 显示接口电路 DS1302 接口电路 单片机时钟电路 18 5 结论 本文中的呼吸暂停测试仪主要目标是实现呼吸信号处理和在 LCD 上显示系 统时间和呼吸暂停时间 并存储于存储器 可翻阅数据 实际实现了 LCD 显示系统时间和呼吸暂停时间和呼吸信号提取与处理 呼 吸信号提取与处理部分主要由电子电路完成 首先为呼吸信号的提取电路 因 为提取的呼吸信号易受环境温度及其他干扰的影响而需要进行对其隔除直流 消除环境温度及其他各种干扰的影响 所以应加入滤波放大电路 进入单片机 的数字信号是由经滤波放大器的呼吸信号与其平均值比较而得到的 平均值是 由经滤波放大的呼吸信号再通过平均值提取电路得到 平均值提取电路主要有 峰值检测电路 谷值检测电路 平均值提取电路 而比较这一作用是由比较放 大电路实现的 通过此电路的信号即为单片机要监测的数字信号 单片机处理 的数字信号是高电平与低电平时间不一样的数字信号 主要是监测低电平的时 间 若低电平的时间超过 10s 那么就记录此数据并显示出来 设计睡眠呼吸暂停监测仪 难点是如何确切监测人体呼吸空气的温度 除 去各种干扰 并很好地实现滤波的目的 而重点是中断计时程序的设计 但是 它的灵敏度还不够 特别是热敏电阻和各个电路中电子元器件的规格的选择 存储器的功能也还没有加上 本设计基本上研制了一种价格相对便宜 使用更加方便 性能更加优良的 呼吸暂停监测仪 以满足各级医院和患者的需求 19 参考文献 1 张洪润 单片机应用设计 200 例 上册 M 北京 北京航空航天大学出版社 2006 1 610 2 张洪润 傅瑾新 传感器应用电路 200 例 M 北京 北京航空航天大学出版社 2006 1 883 3 张永瑞 电子测量技术基础 M 西安 西安电子科技大学出版社 1994 1 300 4 邓亲恺 现代医学仪器设计原理 M 北京 科学出版社 2004 1 527 5 周洪建 HHT 谱分析方法在利用 ECG 信号检测睡眠呼吸暂停中的应用 J 中国医学物理 学杂志 2009 26 04 1309 1313 6 张瑞华 叶逢春 一种具有自动补偿功能的呼吸信号检测电路 J 医疗卫生装备 2009 30 3 62 63 65 7 杨跃平 睡眠呼吸暂停综合征及检测方法 J 张家口医学院学报 2003 20 3 59 61 8 俞梦孙 睡眠呼吸暂停与生物医学工程 J 引进国外医药技术与设备 1998 4 2 106 109 9 彭思 陈淑铃 用于呼吸暂停综合症的呼吸监测系统的研制 J 传感技术学报 2008 21 8 1325 1328 10 吴海锋 热释电式睡眠呼吸暂停监测 J 红外技术 2004 26 1 31 33 11 金鑫 张庆稼 简易睡眠呼吸暂停监测仪的研究 J 医疗设备信息 2002 17 5 24 26 12 郭兴明 睡眠呼吸暂停监测方法及仪器的研究 J 生物医学工程学杂志 2000 17 3 358 359 13 郭兴明 睡眠呼吸暂停监测仪的研究 J 电子技术应用 1999 25 2 34 36 14 徐现通 睡眠状态下人体生理信号的监测 J 医学信息 医学与计算机应用 2004 17 6 326 329 15 庄志 零负荷多参数睡眠监测方法的研究 J 北京生物医学工程 2002 21 2 57 61 20 附录 include include include include include include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar display uchar i 0 j 0 uint x 0 INT0 中断 void INT0 0 interrupt 0 i if i 1 TR0 1 INT1 中断 void INT1 1 interrupt 2 j if j 1 21 TR0 0 x 256 TH0 TL0 初始化 void INIT TMOD 0 x01 TH0 0 TL0 0 EA 1 EX0 1 EX1 1 IT0 1 IT1 1 PX0 1 数据转换 void dispose display 7 x 10000 0 display 8 x 10000 1000 0 display 10 s display 11 e display 12 c 主程序 void main Init LCD 初始化 LCD display 7 1 display 8 1 22 display 10 s display 11 e display 12 c IIC 24C04 Init 初始化 24C04 INIT while 1 GetTime Format DateTime DateTime 6 LCD DSY BUFFER1 5 Format DateTime DateTime 4 LCD DSY BUFFER1 8 Format DateTime DateTime 3 LCD DSY BUFFER1 11 strcpy LCD DSY BUFFER1 13 WEEK DateTime 5 Format DateTime DateTime 2 LCD DSY BUFFER2 5 Format DateTime DateTime 1 LCD DSY BUFFER2 8 Format DateTime DateTime 0 LCD DSY BUFFER2 11 Display String display 0 x40 Display String LCD DSY BUFFER2 0 x00 dispose Display String display 0 x40 ifndef lcd1602 2010 4 28 define lcd1602 2010 4 28 lcd1602 define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit RS P2 0 sbit RW P2 1 sbit EN P2 2 延时 void DelayMs uint x uchar i while x for i 0 i 120 i 23 读 LCD 状态 uchar Read LCD State uchar state RS 0 RW 1 EN 1 DelayMs 1 state P0 EN 0 DelayMs 1 return state 忙等待 void LCD Busy Wait while Re